對超臨界發電廠直流鍋爐給水控制系統探討

丘翊仙

（廣東紅海灣發電有限公司，廣東 惠州 516600）

1、機組簡介

汕尾電廠一期2×600MW工程三大主機均由東方鍋爐、汽輪機、發電機提供。

鍋爐型號：DG1900/25.4--Ⅱ2。鍋爐采用單爐膛，倒U型布置、平衡通風、一次中間再熱、前后墻對沖燃燒、尾部雙煙道，再熱汽溫采用煙氣擋板調節，復合變壓運行，超臨界本生直流爐。鍋爐的循環系統由啟動分離器、貯水罐、下降管、下水連接管、水冷壁上升管、及汽水連接管等組成。在負荷≥28%B-MCR后，直流運行，一次上升，啟動分離器入口具有一定的過熱度。機組正常情況下投入2臺各帶50%BMCR負荷的汽動給水泵，35%BMCR負荷容量的電動泵備用。

汽輪機型式:TC4F-40沖動式，單軸三缸四排汽再熱凝汽式汽輪機，而且小汽輪機與主機共用一套抗燃油液壓控制油系統。汽機轉速調節采用數字式電液控制系統。

發電機型號：QFSN-600-2-22A，水-氫-氫冷卻方式汽輪發電機。氫油水系統采用集裝式布置。

DCS控制系統由愛默生公司提供的OVATION分散控制系統完成數據采集（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）、鍋爐爐膛安全監控系統（FSSS）、汽機旁路控制系統（BPC）、給水泵汽輪機控制(MEH)、電氣控制（ECS）等功能、汽機控制系統（DEH）、和其它控制系統（有數據通訊接口）的監控功能，應能實現工藝系統的全過程控制，以滿足各種運行工況的要求，確保機組安全、高效運行。

2、給水控制系統設計原理

2.1、控制的難點與控制任務

2.11、控制的難點

（1）直流鍋爐蓄熱量小，蒸汽壓力等參數更容易受負荷變化的影響，尤其是單元制運行方式下帶變動負荷的直流鍋爐，如何提高鍋爐對負荷變動的響應速度，比汽包鍋爐控制提出更高要求。

（2）直流鍋爐屬多變量相關被控對象，汽溫控制與負荷控制之間存在關聯，在提高鍋爐對負荷變化的響應速度，穩定汽壓的同時，要保持汽溫的穩定，與汽包鍋爐控制存在差異。由于燃料量與給水流量均可作為汽壓或汽溫的調節變量，因此，直流鍋爐負荷控制與汽溫控制之間存在不同的變量配對選擇及解耦方式選擇，這些不同的選擇即組成直流鍋爐控制系統的不同方案。

（3）直流鍋爐汽溫被控對象動態特性存在很大差異，其出口汽溫更容易受到各種擾動的影響。

影響汽溫的因素很多，通常包括給水溫度，燃料發熱量，火焰中心的移動，過剩空氣量的變化及受熱面因結焦、積灰所引起的傳熱系數的改變等。但對汽溫影響最大的是作為調節變量的燃料量與給水流量之間比例的改變。因此，保持鍋爐燃水比例關系對于汽溫控制是非常重要的。

在這個意義下，直流鍋爐汽溫控制可分為燃水比控制與噴水減溫相互獨立的分段調節法、燃水比控制與噴水減溫相互聯系的調節方法、以及燃水比控制與噴水減溫共同調節出口汽溫的方法。

2.12、控制任務與控制原則

直流鍋爐給水控制系統不同的設計可能有不同的控制任務。超臨界發電機組沒有汽包，鍋爐給水控制系統的主要任務不再是控制汽包水位，而是以汽水分離器出口溫度或焓值作為表征量，保證給水量與燃料量的比例不變，滿足機組不同負荷下給水量的要求。

根據該機組實際情況，給水控制系統應該滿足以下控制任務：

（1）控制給水量以響應鍋爐負荷的變化；

（2）保證汽水分離器出口溫度在相變點之上；

（3）通過控制給水量來調節過熱器中間點的溫度；

（4）盡量保持給水流量穩定，以保證省煤器和給水管道安全運行。

針對超臨界發電機組結構和運行的特點，其控制原則如下：

（1）要求保持燃料量與給水流量之間比值關系不變，保證過熱蒸汽溫度為額定值。當有較大的溫度偏差，若僅依靠噴水減溫的方法來校正溫度，需要大量的減溫水，這不僅進一步加劇燃水比例失調，還會引起噴水點前各段受熱面金屬和工質溫度升高，影響鍋爐安全運行。

（2）采用微過熱汽溫作為燃水比校正信號，不能直接采用燃料量或給水流量來調節過熱汽溫。雖然鍋爐出口汽溫可以反映燃水比例的變化，但由于遲延很大，不能以此作為燃水比例的校正信號。因此，通過保持一定的燃水比例，維持微過熱點的汽溫（或焓值）一定，以間接控制出口汽溫。

2.2、被控量與前饋量

在確定初步控制任務后，決定使用分離器出口蒸汽焓值作為給水控制對象的被控量。這是因為根據焓熵圖確定焓值，可以保證汽水分離器出口溫度在相變點之上，而且考慮到正常運行時過熱管道基本為定壓運行，保證焓值不變可以從系統上保證過熱器溫度。

在確定焓值為被控量之后，給煤量就成了主要的外部擾動因素。由于給煤量的變化需要經過較長時間才能引起爐膛熱量的變化，進而影響焓值，因此給煤量擾動存在延遲性，作為控制通道不合適，而作為擾動通道則沒有什么影響。

給水控制的目的是控制總給水流量，以滿足當前鍋爐輸入指令。總給水流量在省煤器入口測量。鍋爐輸入指令經反映鍋爐負荷－給水流量關系的函數關系生成穩態的給水流量指令，該指令與給水回路的鍋爐輸入加速指令相加，指令相加后的指令接受總燃料量的交叉限制，以保證調節過程產生的不平衡始終不超出規定限值。

另外，在機組啟動工況下，考慮到機組的熱平衡，有一啟動偏置加到鍋爐給水流量指令中、同時該偏置也加到最小給水流量限值中。為了避免省煤器汽化現象的發生，在給水流量指令上還加上經保證省煤器出口一定過冷度計算給出的正偏置，以增加給水流量。

主調節器對給水流量偏差進行比例加積分運算、產生送給下一級副調節器（鍋爐給水泵流量調節器）的鍋爐給水泵流量指令。

2.3、控制流程

在控制任務、被控量與前饋量確定之后，即可得到如圖1的省煤器入口給水流量設定值。按照傳統給水三沖量的設計原則，將省煤器入口實際給水流量作為反饋，得到完整的給水控制框圖。在圖1中，機組相對負荷即功率指令。由于功率指令改變時，給煤量需經過較長時間才能轉化為熱量，而給水量變化也有滯后性，為了避免兩者變化不同步造成主汽溫度、壓力和實際功率的波動，在機組相對負荷后增加1個延遲環節進行調整，使兩者變化同步。焓值由汽水分離器出口的溫度和壓力構成的二元函數換算而來，具體數值可以從水蒸氣焓熵表上查得。

3、實際運行中存在的問題及改進措施

在機組運行過程中，發現上述控制方案存在一系列技術問題，根據實際情況進行了大量更改。

（1）引入減溫器溫差作為1個被控量。當過熱器中間點溫度變化過大時，可以直接控制給水量，使之與爐膛熱量平衡，盡快從根本上消除造成過熱汽溫變化的擾動。引入減溫器溫差的同時，在減溫器溫差的控制通道中增加了手操器，這樣既可以防止切換時出現偏差，又給運行人員提供1個參與改變焓值設定的手段，同時也可以將控制通道的作用限制在一定范圍內。

（2）被控量汽水分離器出口焓值由溫度代替。這是一個迫不得已的辦法，盡管焓值比溫度的變化更敏感，線性度更好，但是從電廠資料中無法獲得焓值隨負荷變化的設定值。該焓值由溫度代替后，因為僅僅依靠溫度無法保證汽水分離器出口蒸汽的過熱狀態，即無法保證相變點，所以在溫度值設定端增加即時壓力下對應的飽和溫度，以保證分離器出口始終是微過熱蒸汽。

（3）修正爐水循環泵流量。在鍋爐完全由濕態轉干態后，爐水循環泵流量對給水流量沒有影響。但在其他狀態下，爐水循環泵流量變化會改變省煤器入口給水流量，這時就必須進行爐水循環泵流量修正，因此，在該處增加了1個類似微分的前饋環節。

（4）在鍋爐主控擾動通道上增加1個環節。由于給煤量轉化為熱量的滯后性，如果直接增加給水量，有可能會造成兩者變化不同步，進而對主汽壓力、溫度、負荷等都造成擾動，而增加該環節，調試人員可以根據實際情況調整延遲環節。

（5）增加了汽水分離器實際出口溫度的微分前饋環節。當實際溫度有微小變化時，要盡量克服通道延遲，盡快消除擾動造成的偏差。

（6）最難調節的是增減負荷時的過熱器主蒸汽溫度。因為該溫度主要決定于煤水是否平衡，所以在增減負荷時，由于水快煤慢，會造成分離器出口溫度有較大波動，進而造成負荷大幅波動。通過在初期運行時修正代表給煤滯后的函數值f（x），可以找到1個比較好的平衡點。

通過一系列的改進，最終的給水控制系統設計如圖2。

4、整定及投入原則

在整定時，首先將焓值手操器置為手動，在負荷不變時整定給水流量PID，原則是快，因為它是內回路，相當于焓值回路的執行機構；然后，在負荷不變時整定焓值PID（外回路）；最后，做變負荷擾動。在轉干態前（負荷小于33%），由于焓值手操器切手動，所以給水泵屬于流量定值調節，其值為630 t/h（33%額定流量）加運行人員手動偏置值（焓值手操器設定值），給水旁路閥也屬于流量定值調節；在轉干態后（負荷大于33%），爐水循環泵停止，361閥關閉，分離器出口蒸汽為過熱狀態，這時焓值手操器自動投入，給水泵變為調節分離器出口溫度（或焓值），給水旁路閥可以切主閥，退出自動調節，也可以中停主給水閥，給水旁路閥依然屬于流量定值調節。省煤器入口流量為循環泵流量加給水泵出口流量。

需要注意的是，在轉干態前或未并網時，分離器出口蒸汽接近飽和態，還不是過熱蒸汽。

5、效果

在最初的調試過程中出現的問題都是由于超臨界直流爐的構造引起的，改進后的給水控制系統設計方案可以基本克服調試中出現的問題，有效完成控制任務，同時能快速響應，在主要的邏輯設計上可以滿足該超臨界機組的任務要求，是1個較為成功的給水控制方案。

[1]樊泉桂.亞臨界與超臨界參數鍋爐[M].北京：中國電力出版社，2006.